'石墨烯在電纜屏蔽層的應用研發及應用市場解析'

摘要：隨著我國基礎設施建設規模的日益擴大，並且在“一帶一路”政策的推動下，電力設施升級換代的需求迫切。據媒體報道，我國電線電纜行業在2018年的市場規模達到1.3萬億元，規模以上企業超過了4000家。由於市場擴大，競爭加劇，電纜的性能也在不斷地優化和提升。

電纜通常由導體、屏蔽層、絕緣層、屏蔽層和護套組成。而屏蔽層材料是近些年來人們關注和研究的熱點。其中，由於石墨烯具有高的比表面積、電導率、導熱率和良好的力學性能以及高電磁屏蔽特性，所以其在電纜中重要的研究價值有待進一步挖掘。本文將對石墨烯在電纜屏蔽層的研究與應用進行解析。

改性應用研發三步走從“炭黑”到“碳納米管”再到“石墨烯”

炭黑是如今在電纜屏蔽層中應用最廣泛的導電填料之一，其PH值、粒徑、比表面積、鄰苯二甲酸二丁酯吸收值等物理化學特性往往決定了屏蔽料的加工性能和導電性能。而屏蔽層的導電性和韌性相對炭黑的添加量又是兩種相互對立又需同時兼顧的性能。國內外大量研究人員對填料炭黑的添加量等配比工藝做了大量研究。目前研究表明，15%-50%的添加質量佔比是最為適宜的。

1991年，碳納米管被日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島發現，其具有優異的電學、力學和磁學性能。為了提高電纜屏蔽層複合材料的導電率的穩定性，國外科技工作者將炭黑和碳納米管作為填料，由於碳納米管具有較長的長徑比使得填料形成的導電網絡在熔融結晶的過程中更加穩定。後來美國陶氏化學公司也做了相關的產品化工作。

直到2012年，石墨烯電纜屏蔽層中的相關專利才出現在歐美國家。石墨烯具有比表面積大、厚徑比高、電子遷移率高、導熱率高的特徵，其獨特的單原子層二維結構和共軛碳網絡結構，都被認為是最為理想的納米導電填料。但是其極高的化學穩定性、表面惰性和不易分散性使得其與屏蔽層中的高分子材料難以兼容。目前，大量的改性石墨烯的研究停留在實驗室階段，其研究方向集中在：1.石墨烯與其他填料、聚合物、助劑等的相互作用。2.提升包含石墨烯的屏蔽料輕質、高效、梯度溫度穩定性等特徵。3.對電纜屏蔽層屏蔽機理的研究。

大量實驗證實，經過改性處理優化配比後的石墨烯的加入，改善了電纜處於不均勻電場的情況，減少了內部輸電量的損失，同時減少了電纜運行過程中異常開裂的事故發生率。

國內市場應用處於萌芽期

由中超控股、西安交大、常州第六元素等共同投資成立的常州中超石墨烯電力有限公司的“35KV及以下交聯電纜用過氧化物交聯型低電阻熱穩定石墨烯複合半導電屏蔽料”在2016年生產線正式投產，可形成年產2000噸中高壓電纜用低電阻熱穩定石墨烯複合半導電屏蔽材料的產能規模。經國家電線電纜質量監督檢測中心測試，其20℃體積電阻率比現行同行材料下降10倍以上，90℃體積電阻率比現行同行材料下降30倍以上。據悉，石墨烯包覆採煤機屏蔽橡套軟電纜有少量銷售。

通過專利檢索發現，電纜石墨烯屏蔽層的製備方法的專利發明人同時還有安徽徽寧電器儀表集團有限公司、浙江六環電線電纜有限公司、上海至正道化高分子材料股份有限公司等企業(如圖1所示)，申請時間也都是近幾年的。國內歷年來該應用領域共有200多項專利。如果根據專利維持年限、權利要求數量、同族、引證、被引證、訴訟、許可、轉讓、質押等十幾個緯度計算得出：這些專利的價值含量相對較低。

圖1 國內石墨烯電纜屏蔽層專利申請排名

(來源：國家知識產權局專利檢索)

其他企業投產方面的報道幾乎沒有，這都說明在國內市場石墨烯在電纜屏蔽層的應用處於萌芽期。

結語

電纜屏蔽層材料是近些年來人們關注和研究的熱點，石墨烯具有比表面積大、厚徑比高、電子遷移率高、導熱率高的特徵，其獨特的單原子層二維結構和共軛碳網絡結構，都被認為是最為理想的納米導電填料。其改善了電纜處於不均勻電場的情況，減少了內部輸電量的損失，同時減少了電纜運行過程中異常開裂的事故發生率。通過專利檢索發現，石墨烯電纜屏蔽層的製備方法的專利申請集中在最近幾年，國內投入生產的企業很少，我國石墨烯在電纜屏蔽層的應用還處於萌芽期。